|
ОРИГІНАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ УДК 543:553+631.15 ІНТЕНСИВНІСТЬ БІОГЕОХІМІЧНОГО ПОГЛИНАННЯ МІКРОЕЛЕМЕНТІВ ЯК ОДИН З ФАКТОРІВ ЗАБРУДНЕННЯ ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ РОСЛИННОГО ПОХОДЖЕННЯ**А.І. Самчук, кандидат хім. наук, професор, *Інститут екогігієни та токсикології ім. Л.І. Медведя МОЗ України РЕЗЮМЕ. Аргументирована актуальность исследования интенсивности биогеохимического поглощения микроэлементов растительностью. Исследовано содержание металлов в золе растений Украинского Полесья и рассчитаны коэффициенты их биогеохимического поглощения. Определена роль подвижных форм микроэлементов в питании растений и накоплении их в пищевых продуктах. SUMMARY. The necessity of research of intensity biogeochemical absorption of microelements by plants was argued. Average content of metals was probed in the ash of plants of Ukrainian Polesya and the coefficients of biogeochemical absorption are calculated. The role of mobile forms of microelements was determined for the feed of plants and accumulation in food products. Дослідженнями останніх десятиліть показано, що мікроелементи грунту суттєво впливають на розвиток рослин, стан і функції організму людини та тварини. Відомо, що рослина не може нормально розвиватись без певного незамінного мікроелемента, а тварини реагують пришвидшенням росту за умови додавання до кормів певного з них. І навпаки, розвиваються специфічні симптоми недостатності за відсутності того або іншого мікроелемента. В рослинних та тваринних організмах їх міститься близько 60, на них припадає від 0,4 до 0,6% живої маси. Завдяки високій біологічній активності, наявність навіть невеликих кількостей мікроелементів в рослинах дозволяє виконувати їм роль каталізаторів, особливо в процесах фотосинтезу і засвоєння азоту. Встановлено, наприклад, що в обміні білкових речовин деяких рослин значну роль відіграє молібден, який входить до складу ферменту нітратредуктази. В разі нестачі молібдену гальмується процес відновлення нітратів, порушується нормальний хід білкового обміну, при цьому вміст білка в тканинах рослин зменшується, а солей азотної кислоти, навпаки, збільшується. Значення мікроелементів для здоров'я підтверджується наявністю їх в організмі людини. Так, до складу крові входить 24 мікроелементи, в жіночому молоці їх виявлено близько 30, зокрема мідь, цинк, кобальт, кремній, миш'як та ін. Входячи до складу багатьох хімічних комплексів організму, мікроелементи зумовлюють високу їх біохімічну і біологічну активність. До таких комплексів відносять сполуки металів з білками, ферментами, дихальні пігменти, гормони і деякі вітаміни. У зв'язку з цим більшість сучасних дослідників вважає, що основна роль мікроелементів полягає в підвищенні активності ферментів. Значна кількість мікроелементів знаходиться в ендокринних залозах. Так, наприклад: в щитовидній залозі, гіпофізі, сім'яниках і яєчниках багато цинку, в підшлунковій і щитовидній залозах — кобальту; в сім'яниках — фтору; в підшлунковій залозі — молібдену. Рівень вмісту мікроелементів в ендокринних залозах, імовірно, пов'язаний з їх впливом на основні функції останніх. Відомо, що органічні комплекси мікроелементів беруть участь в проміжних процесах обміну речовин організму, здійснюючи, таким чином, вплив на його розвиток, зростання, кровотворення і розмноження. Нестача або надлишок мікроелементів в організмі веде до порушення обміну речовин, нерідко викликаючи різноманітні захворювання. Ступінь забезпеченості рослинних і тваринних організмів (у тому числі і людини) мікроелементами залежить від їх вмісту в навколишньому середовищі і, перш за все, в ґрунті. Академік В.І. Вернадський [1] вперше вказав на залежність хімічного складу організмів від вмісту хімічних елементів у земній корі. Створене О.П. Виноградовим [2] вчення про біогеохімічні провінції ґрунтується на визнанні того, що в деяких областях (районах) навколишнє середовище і, перш за все, ґрунт не містить зовсім або містить недостатню кількість деяких мікроелементів або, навпаки, містить їх забагато, що і зумовлює виникнення і розповсюдження масових, властивих даній місцевості ендемічних захворювань. Зрозуміло, що наявність мікроелементів в організмі залежить від ряду умов, які можуть сприяти або, навпаки, ускладнювати їх надходження. Зокрема великий вплив на цей процес має розчинність хімічних речовин. Відомо, що мікроелементи, які входять до складу важкорозчинних сполук, зустрічаються в організмах в дуже малих кількостях. До них відносяться алюміній, кремній, титан, хоча всі вони належать до найпоширеніших елементів земної кори. Навпаки, вуглець, азот, фосфор, йод, що містяться в грунті в дуже малих кількостях, але в розчинних, тому доступних засвоєнню організмами сполуках, виявляються в значних кількостях і навіть накопичуються ними. Також здійснюють вплив на даний процес і інші умови: рівномірність розповсюдження елементів в земній корі, пропорційність надходження, вибірковість накопичення. Однак, за всіх умов, надходження мікроелементів в організм людини здійснюється за схемою: ґрунт-рослина-організм тварини. Деякі мікроелементи ґрунту можуть надходити в організм людини і тварин з питною водою, минаючи рослинні організми. Як вже було зазначено, внаслідок нестачі мікроелементів в ґрунті або в результаті несприятливих умов для їх надходження в організм, в певних регіонах спостерігаються масові ендемічні захворювання (біогеохімічні ендемії). До таких захворювань відноситься ендемічний зоб, що виникає і розповсюджується в значній мірі в разі недостатнього вмісту йоду в харчових продуктах і в питній воді. Ендемічний характер носить і таке захворювання, як карієс зубів, широко розповсюджений внаслідок недостатнього вмісту фтору в питній воді і харчових продуктах. У випадку нестачі кальцію і одночасному надлишку стронцію в питній воді і продуктах харчування виникають ендемічні захворювання людей, так званою уровською (Кашина-Бека) хворобою. Ендемічні захворювання також можуть бути наслідком надмірного надходження мікро- і макроелементів. Прикладом таких ендемічних захворювань може служити плямистість (крапчатість) емалі зубів, відома під назвою флюорозу, який є результатом завищеного вмісту фтору в даній місцевості. Останніми роками у ряді зарубіжних країн (США, Чехія і ін.) набуло значне поширення захворювання дітей раннього грудного віку, відоме під назвою метгемоглобінемії, що також носить ендемічний характер і залежить від надлишку у воді нітратів і нітритів. Спостерігається і ряд інших ендемічних захворювань, пов'язаних з особливостями місцевості, в основі яких лежить нестача або надлишок в навколишньому середовищі мікро- і макроелементів. Вчення про біогеохімічні провінції не тільки дало вірне, науково обґрунтоване пояснення ендемічних захворювань, але й дозволило застосувати відносно до деяких з них раціональні заходи боротьби, успішно попереджувати їх виникнення та розповсюдження. Саме тому важливо знати про наявність мікроелементів у ґрунті регіону і пов'язувати особливості зовнішнього середовища із станом здоров'я населення. Виявлення біогеохімічних провінцій включає глибоке і ретельне вивчення їх геологічних і грунтово-кліматичних особливостей, з'ясування надмірного або недостатнього вмісту мікроелементів у ґрунті, воді, в кормах тварин і в харчових продуктах, а також ступеня розповсюдження ендемічних захворювань рослин, тварин і населення. Необхідно також визначати загальний вміст і рухомі форми мікроелементів в ґрунтах, з'ясовувати закономірності їх розподілу за ґрунтовим профілем, вивчати умови і шляхи міграції. Встановлено, що чим більшу рухливість має мікроелемент, тим більша вірогідність, за інших рівних умов, його зв'язку з хворобою. Дуже важливо враховувати вплив промислової і сільськогосподарської діяльності людини на мікроелементний склад навколишнього середовища. Відомо, що з промисловими викидами в повітря і пил надходять фтор, миш'як, свинець, мідь, цинк та інші мікроелементи, які змінюють природний хімічний склад грунту, осідаючи на його поверхні. Значним джерелом токсичних елементів можуть стати промислові відходи, багаті на сполуки цинку, заліза, магнію, марганцю, міді, нікелю, титану, молібдену, свинцю, олова, вольфраму, бору та ін. Промислові стічні води, в разі використання їх для зрошування полів, також збагачують ґрунт вкрай небажаним трьох- і шестивалентним хромом. Вносяться мікроелементи в грунт і в процесі використання добрив, оскільки основою для виробництва більшості з них є природні поклади сировини, яка може містити у небажаних для грунту кількостях хімічні сполуки. Таким чином, масштабна промислова і сільськогосподарська діяльність людини в майбутньому суттєво змінить мікроелементний склад ґрунту значної частини земної поверхні. Зрозуміло, що така штучна цілеспрямована зміна може значно поліпшити родючість грунтів, але може і перенаситити її тими або іншими мікроелементами, створити сприятливі умови для виникнення і розвитку ендемічних захворювань серед населення. Не маючи відомостей про вміст мікроелементів в зовнішньому середовищі, важко спрогнозувати можливу контамінацію організму людини металами-токсикантами, дати вичерпний науковий аналіз санітарного стану регіону і обґрунтувати профілактичні заходи для відповідних органів влади. Все вищезазначене обумовлює необхідність детального дослідження екологічного стану навколишнього середовища, починаючи з вивчення хімічного складу грунтів, — процесу міграції металів-токсикантів в системах "грунт—вода", "грунт—повітря", "грунт—рослина", "грунт—рослина—тварина". Однією з найважливіших ланок в цій системі є рослина. Відомо, що в основу взаємодії рослин із середовищем існування (ґрунтовим і повітряним) покладено чотири загальних біологічних закони: 1 — незалежності й рівнозначності факторів життя; 2 — нерівнозначності факторів середовища; 3 — мінімуму, оптимуму і максимуму факторів життя; 4 — сукупної дії факторів життя [3]. Згідно з першим законом, жоден з основних факторів життя рослин (світло, тепло, вода, повітря, поживні речовини) не може бути замінений іншим. Фактори середовища (другий закон) бувають випадковими і необов'язковими: механічний склад грунту, вітер, хмарність, наявність шкідників, а також антропогенний фактор — забруднення грунту, води, повітря шкідливими або необов'язковими для життєдіяльності речовинами. Ці чинники посилюють або послаблюють вплив основних факторів життя. Третій закон визначає ступінь забезпеченості рослин факторами життя. Будь-який з них може бути оптимальним, в цьому випадку рослини повністю використовують закладені в них генетичні можливості росту. Лімітуючим може бути не лише брак, але й надлишок таких факторів, як тепло, світло, вода, поживні речовини. Діапазон між екологічним мінімумом і екологічним максимумом, а також вплив максимуму нарівні з мінімумом на розвиток живих організмів називають "законом" толерантності Шелфорда. Хімічний склад рослин формується за рахунок надходжень із зовнішнього середовища. При цьому основним джерелом поживних речовин є грунти і грунтоутворюючі породи. Безліч різноманітних факторів, які впливають на поглинання рослинами хімічних елементів, можна розділити на дві основні групи — фізіологічні та екологічні. Перша група — "внутрішні фактори" — визначає залежність хімічного складу рослин від їх родової і видової належності, морфології, стадії розвитку і т.д. Друга група — "зовнішні фактори" — визначає його залежність від фізико-хімічних особливостей грунтів і грунтоутворюючих порід, ґрунтових розчинів і підземних вод. Загальний вміст хімічних елементів в грунтах не дає уявлення про те, яка їх кількість може бути засвоєна рослинами. Для того, щоб вони могли їх засвоювати, хімічні елементи повинні бути: у рухомій, тобто в іонній або іншій комбінованій формі, яка може бути вилучена з грунту водною екстракцією; у формі легкозамінних іонів в органічних або неорганічних іонообмінних комплексах, які піддаються екстракції нейтральними солями; у формі зв'язаних іонів в обмінних комплексах, які екстрагуються слабкими кислотами; в органічних і органомінеральних комплексах в формі, яка може бути вилучена сильними кислотами; у складі осадів оксидів або солей, з яких вони вилучаються сильними реагентами; фіксованими у вторинних (гіпергенних) мінералах. Доступність для рослин хімічного елемента, присутнього в грунті в кожній з перерахованих форм, залежить від складу і кількості глинистих мінералів та органічної речовини, його лужно-кислотних і окисно-відновних властивостей, а також фізико-хімічних властивостей елемента і його сполук. Надходження хімічних елементів в організм рослин також може здійснюватися за рахунок активного контакту коренів з частками і мінералами грунту шляхом, так званого контактного поглинання. Сутність його полягає в обміні виділених коренями рослин іонів водню органічних кислот на іони металів. Інтенсивність поглинання рослинами іонів металів з твердої фази може змінюватися в сотні і тисячі разів. Залежить вона від фізико-хімічних властивостей грунту (типу і гранулометричного складу, вмісту органічних речовин, рН та ін.) і особливостей рослини (морфо-анатомічних, фізіолого-біохімічних тощо). Практикою встановлена відсутність прямої залежності між вмістом хімічних елементів в рослинах і їх концентрацією в живильному середовищі. Особливо це характерно для мікроелементів. О.П. Виноградов [4] виділяє два типи транслокації: В разі групового накопичення висока концентрація токсичних елементів в ряді випадків приводить до зміни морфології рослин, а іноді і до їх загибелі. Ця властивість знайшла застосування під час пошуків мінеральної сировини геоботанічними методами. Механізм надходження хімічних елементів в рослини, в тому числі токсичних елементів, важких металів і радіонуклідів, пояснює система бар'єрно-безбар'єрного накопичення, науково обгрунтована А.Л. Ковалевським [5]. Сутність її в тому, що рослини поглинають хімічні елементи вибірково у відповідності до їх біологічних особливостей, вироблених тривалою еволюцією і закріплених біохімічними механізмами. Безбар'єрна аккумуляція характерна для тих рослин, які засвоюють хімічні елементи пропорційно до їх концентрації в живильному субстраті. Бар'єрний тип накопичення властивий рослинам, здатним захищатися від надлишкового надходження токсичних елементів у власні тканини у випадку високого вмісту їх хімічних сполук у живильному середовищі. За цих обставин у одних і тих же рослин бар'єрний тип поглинання в певних органах може супроводжуватися безбар'єрним в інших. У разі бар'єрного накопичення токсичної дії звичайно не спостерігається, а на аномаліях вмісту токсичних елементів в грунтах всі активні органи рослин (листя, квіти) мають обмінний тип транслокації. До безбар'єрних відносяться невелика кількість груп мохоподібних і лишайників, а також окремі анатомічні частини більшості бар'єрних — корені трав'янистих, кущових і деревних рослин, зовнішні шари кори стовбурів дерев і деякі інші. Для кількісної оцінки надходження токсичних мікроелементів з грунту в рослинність найчастіше застосовують коефіцієнт біологічного накопичення (Кн), який визначається співвідношенням вмісту металу в одиниці маси акцептора (рослини в перерахунку на її золу) і донора (грунту): Кн=Концентрація металу в акцепторі/Концентрація металу в донорі Накопичення розглядається як сума зовнішнього (аерогенного) надходження і внутрішнього (через кореневу систему). Нами досліджена інтенсивність біогеохімічного поглинання важких металів сільськогосподарськими культурами та окремими елементами природних біоценозів Українського Полісся, у тому числі ягодами, грибами та лікарськими рослинами (див табл. 1). Дані про вміст мікроелементів у грунтах, які сформовані на різного типу літологічних їх різновидах поліського регіону, використані для розрахунку коефіцієнтів біологічного поглинання металів (табл. 2). Аналіз отриманих результатів свідчить, що найвищий вміст токсичних елементів спостерігається в рослинах, які вегетують на піщаних дереново-підзолистих, а найнижчий — на торфово-болотних грунтах. Така закономірність характерна і для Білоруського Полісся [6]. Вона пов'язана з інтенсивністю біологічного накопичення цих металів та фізико-хімічними властивостями форм їх існування в даних умовах. Розраховані нами коефіцієнти біологічного накопичення свідчать про те, що найбільшу активність поглинання мають рослини на збіднілих мікроелементами піщаних грунтах. Серед вивчених видів рослин порівняно високу акумулюючу здатність відносно більшості мікроелементів мають лишайник, мох, чорниця і кульбаба. Як було показано вище, загальний вміст мікроелементів у рослинах обумовлений наявністю їх рухомих форм у грунтах. Тому в останній час значна увага надається не лише валовому їх вмісту, а і вивченню форм знаходження у живильному субстраті. Вважається, що забруднення трофічних ланок відбувається за рахунок водорозчинних та обмінно-сорбованих, тобто мобільних форм. Нижче наведено порівняльні ряди інтенсивності накопичення мікроелементів відносно їх валового вмісту і частки рухомої форми у грунті: Аналіз даних фазового розподілу мікроелементів у грунтах науково-дослідних полігонів Українського Полісся свідчить, що провідну роль у ньому відіграють хімічні сполуки, які утворюють комплекси з органічною речовиною або містяться в обмінно-сорбованому вигляді на колоїдах. Вони є основою процесів мінерального живлення дослідженої рослинності в залежності від типу грунтоутворюючих процесів і ландшафтно-геохімічних умов. Частка зв'язаних з гумусом важких металів досить значна і коливається в межах від 30 до 40%. За даним показником досліджені метали можна розташувати у такій послідовності (в напрямку її зменшення): Вказана послідовність спостерігається у дерено-слабопідзолистих супіщаних грунтах. Частка рухомих форм важких металів складає 0,2–14,3% від загального їх вмісту у грунтах, їх слід розташувати у такий ряд: За величиною коефіцієнтів біологічного поглинання (Кбп) одних і тих же елементів окремі види досліджених рослин значно різняться між собою. Ця важлива обставина є наслідком їх геохімічної спеціалізації на певні метали. В той же час в залежності від умов вегетації Кбп для рослин одного виду також є змінною величиною. Так, для всіх рослин Кбп Мo, Zn і Bа більше, а Ті і V — менше одиниці. Кбп марганцю вивченими рослинами коливається в межах 5 порядків і є максимальним серед розглянутих елементів. Це можливо пояснити наявністю залізисто-марганцевих конкрецій в деяких місцях досліджених агроландшафтів. Найбільше значення цього показника має верес та тонконіг лучний, які вегетують на деренових лучно-болотних осушених грунтах. Оскільки на грунтах інших типів вміст марганцю в цих рослинах значно нижчий, слід зробити висновок про вплив на його транслокацію саме фізико-хімічних параметрів живильного середовища. Мінімальна величина Кбп марганцю встановлена для рослин, що ростуть на дерено-слабопідзолистих (лісових) грунтах: любка дволиста — 0,2, череда трироздільна — 0,08, тонконіг лучний — 0,06. Коливання Кбп титану знаходиться в межах 3 порядків. Максимальні та близькі між собою значення цього показника властиві рослинам, що вегетують на деренових глеєвих супіщаних грунтах (Кбп відповідно 0,13 та 0,10). Загалом, результати вивчення розподілу вмісту зазначених металів (крім стронцію та берилію) у дикоростучій трав'янистій рослинності вказують, що для укосу різнотрав'я, польового хвоща, берізки, перстача сріблястого, любки дволистої, череди трироздільної, вересу, пирію повзучого та тонконіга лучного зниження концентрацій елементів можна представити у вигляді ряду: Слід відзначити, що порядок зниження концентрацій деяких з елементів цього ряду повністю відповідає послідовності зниження частки їх рухомих форм, підтверджуючи те, що, головним чином, живлення рослин відбувається за рахунок останніх, і лише в деякій мірі — за рахунок сполук, зв'язаних з органічною фазою грунту. Про геохімічну спеціалізацію свідчить можливість рослин акумулювати в максимальній кількості не один, а цілу низку елементів. Зокрема серед досліджених рослин різко виділяється тонконіг лучний, який накопичує в максимальній кількості Fе, V, Сr, Мо, Pb і Zn; перстач сріблястий займає перше місце щодо поглинання Мn, Тi, Ni і Zr; пирій повзучий спеціалізується на накопиченні Сu, а любка дволиста — Ва. Причому рівень його вмісту в попелі останньої із згаданих рослин досягає 10000 мг/кг. Кореляційним аналізом фізико-хімічних показників грунтів, коефіцієнтів біологічного поглинання, коефіцієнтів переходу металів у рослини відносно їх вмісту в органічній та рухомій формі встановлено тісний зв'язок, який характеризує процес транслокації хімічних елементів. Таким чином, проведені в умовах Поліського району Київської області роботи щодо вивчення зв'язку між хімічним складом грунтів та біологічними особливостями рослин дозволили встановити рівні вмісту в них токсичних елементів, визначити роль рухомих форм ґрунтових розчинів для живлення рослин та безпосередній вплив різних типів грунтів на накопичення металів. Склад грунтів та умови вегетації рослин визначають їх акумулюючу здатність і впливають на біогеохімічний кругообіг важких металів, а також поведінку у системі "грунт-рослина". Література |